引言
3D显示带来的立体感的视觉冲击，往往令观赏者身临其境、耳目一新，是普通2D显示无法比拟的。著名电影《阿凡达》即是3D技术的首次完美运用，无论是技术层面还是商业层面都取得了巨大的成功，3D技术也因此进入人们的视线。本文将从3D立体感的产生原理、3D显示技术的分类和裸眼3D技术等方面进行阐述。
一、3D立体感是怎么产生的？
由于人的双眼相距约6.5厘米，人在用双眼观察同一物体的时候，该物体在左眼视网膜和右眼视网膜分别成像，形成两幅具有细微差异的画像，这就是双目视差的原理。在左眼视网膜形成的图像通常叫左眼图，在右眼视网膜形成的图像通常叫右眼图，左眼图和右眼图经过人的大脑综合分析后整合，从而使观看者感知到画面呈现物体的深度，进而产生三维立体感，如图1。
图1 三维立体感产生的原理示意图
二、3D显示技术的分类
正是利用了双目视差这一原理，3D电影诞生了。在电影拍摄时，通常会采用两个摄像机进行拍摄，一个摄像机以左眼视角进行拍摄，模拟采集人的左眼图；另一个摄像机以右眼视角进行拍摄，模拟采集人的右眼图。电影播放时，在显示器上分别输出左眼图和右眼图，控制人的左眼只选择性地观看左眼图，右眼只选择性地观看右眼图，这样左眼图和右眼图经过人的大脑处理后，就能产生三维立体感。
那么，问题来了，如何控制人的左眼只观看左眼图，不受右眼图的干扰，而右眼只观看右眼图，不受左眼图的干扰呢？没错，就是3D眼镜！最初，人们为了获得3D视觉效果选择佩戴3D眼镜，这种方式属于被动式的3D显示。3D眼镜采用的技术原理大致分为四类：主动快门式、光分式、波分式和色分式。
01主动快门式
又叫时分法遮光技术或液晶分时技术，3D眼镜实质是可以分别控制开和关的两片液晶屏，镜片中的液晶层有黑、白两种状态，分别对应关和开。平常显示为白色透明状，通电后变为黑色。通过一种讯号发射装置，控制液晶屏的开和关，让3D眼镜和屏幕之间实现精确同步：屏幕上交替播放左眼画面和右眼画面，当播放左眼画面时，左眼镜打开，右眼镜关闭，观众左眼能看到屏幕上的左眼画面，而右眼什么都看不到。当屏幕播放右眼画面，左眼镜关闭，右眼镜打开，右眼能看到屏幕上的右眼画面，而左眼什么都看不到。如此，将左眼画面和右眼画面在屏幕上交替播放，就能让左右眼分别看到各自的画面，从而实现3D立体效果。
但需要注意的是，这个交替过程至少达到120次/每秒，人眼才能欣赏到连贯而不闪烁的3D画面，所以主动快门式3D显示技术要求屏幕的刷新率至少达到120Hz。
02光分式
光分式也被称为偏振式，利用了偏振光的特点。偏振光在任意一个特定的时刻只在一个特定的方向上振动，即只有在特定方向上可见。3D眼镜的两个镜片分别设有对应的偏振片或偏振膜，左镜片只允许垂直方向上的偏振光透过，即只能接收到左眼画面，右镜片只允许水平方向上的偏振光透过，即只能接收到右眼画面。这样，当显示屏幕同时播放左眼画面和右眼画面时，左眼画面通过左镜片的偏振片进入左眼，右眼画面通过右镜片的偏振片进入右眼，两幅图像经过大脑合成感知，从而实现3D立体效果，如图2。
这种方式最直观的缺点是由于只有特定振动方向的光能够进入人眼，光线减少了一半，亮度会显著下降，将图像分割为纵向和横向两种方式，因此其分辨率方面也是减半处理，显示效果大打折扣。
图2 光分式显示原理示意图
03波分式
波分式系统的组成与光分式非常类似，利用了光波波长的特点。光是人眼所能观察到的波长介于0.76nm至0.38nm之间的电磁波。光波从人眼能感觉的颜色上又分为红、绿、蓝等各种颜色，而每种颜色的光的波长并不是一个特定值，而是介于一个范围之间，如：红光波长介于0.63nm至0.76nm之间，紫光波长介于0.38nm至0.46之间。
左眼画面采用某特定波长红光、绿光和蓝光显示；右眼画面采用不同于左眼画面的某特定波长的红光、绿光和蓝光。3D眼镜的左右镜片都涂有不同的多个滤波涂层。左镜片的涂层只允许左眼画面所采用的特定波长红光、绿光和蓝光通过；右镜片也涂有不同的多个滤波涂层，右镜片的涂层只允许右眼画面所采用的特定波长红光、绿光和蓝光通过。这样，就能将左眼画面和右眼画面进行隔离。当显示屏幕上同时播放左眼画面和右眼画面时，左眼画面通过左镜片进入左眼，右眼画面通过右镜片进入右眼，两幅图像经过大脑合成感知，从而实现3D立体效果。
04色分式
色分式俗称为红蓝眼镜式，红色、绿色和蓝色被称为三原色，自然界中的任何颜色都可以由这三种颜色合成，而这三种颜色本身是互斥的，没有任何的交集。3D眼镜由两片不同颜色的镜片组成，通常一片为红色，另一片为蓝色或者绿色，色分式3D眼镜正是利用了三原色互斥的特性，左镜片只允许红色通过，右镜片只允许蓝色或绿色通过。通过色分眼镜对左眼画面和右眼画面进行分离，保证左眼只看到左眼画面，而右眼只看到右眼画面，两幅图像经过大脑合成感知，从而实现3D立体效果，如图3。
图3 色分式显示原理示意图
由于色分式眼镜只采用了三原色中的两种，另一种颜色被丢弃了。因此，在实际显示中偏色非常严重，显示效果大打折扣，目前应用也越来越少。
虽然3D显示技术给人们带来了前所未有的视觉冲击体验，但每次看屏幕还得戴上眼镜，尤其对于近视或远视的朋友，在看屏幕的时候会在原有眼镜基础上再加个3D眼镜，实在不太友好。因此，裸眼3D出现了，在不需要佩戴3D眼镜的情况下，也能体验3D显示带来的视觉冲击。
三、裸眼3D
通过对普通3D显示技术的了解，裸眼3D的技术原理就不难理解了。人们之所以能够裸眼看3D，其实就是把原本戴在人眼的3D眼镜放到了显示屏幕上。通常液晶电视前端为显示面板，背面则是产生光源的背光模块，在面板和背光源中插入一片像屏障一样的栅栏即光栅，光栅可以让观影者的左眼和右眼看到的影像具有视差，这样左眼画面和右眼画面经过大脑合成后形成3D效果。
光栅通常分为狭缝式和柱透镜式。
狭缝光栅式也叫视差挡板法，光栅采用间隔设置的狭缝。狭缝光栅式的显示器件被划分为一些竖条，一部分竖条（如奇数列）用于显示左眼画面，而另一部分竖条（如偶数列）用于显示右眼画面，左右相互间隔。而在显示器件的前方则有一些柱状的狭缝光栅，这些光栅与显示器件的竖条相适应，其作用在于奇数列的左眼画面经过狭缝后进入人的左眼，偶数列的右眼画面经过狭缝后进入人的右眼。即狭缝光栅能够允许左眼只看到左眼画面，右眼只看到右眼画面。左右两幅图像最终经过大脑的合成，呈现出立体感，如图4。
图4 狭缝光栅式裸眼3D示意图
柱状透镜式即采用柱状的透镜作为栅栏，将显示器件前的狭缝光栅替换为柱面透镜，显示器件同样被划分为竖条，一部分竖条用于显示左眼画面，而另一部分竖条用于显示右眼画面，左右相互间隔。利用显示器件前面的柱面透镜的折射作用，左眼画面的光线射向左眼位置，而右眼画面的光线射向右眼位置。左右两幅图像最终经过大脑的合成，呈现出立体感，如图5。
图5 柱状透镜式裸眼3D示意图
四、案例分析
案例一
技术问题：目前光栅使用电极做的遮挡区，在给电极通电时形成上下电场让液晶翻转形成遮挡，但是，由于在现有的这种裸眼3D技术下的3D光栅结构中，电极线宽与缝隙的宽度都是固定的，一旦光栅跟TFT模块之间贴合出现了偏移，就很难看到3D效果。
技术方案：通过若干短路棒分别连接光栅条，可以单独控制每个或每组光栅条，能够在光栅跟TFT贴合后，使得光栅区变化线宽与线缝的位置来配合组装偏位，保证3D效果。
如图6，包括光栅区10及其电连接的短路棒区11、12，其中，光栅区10具有等间隔均匀分布的光栅条101；短路棒区11、12位于光栅区10边缘，包含若干条短路棒100，每条短路棒100连接有若干光栅条101。当所有短路棒全部通电时可提供插黑的效果。如图7，在图7中填充部分401表示短路棒构成的线宽，未填充部分402表示短路棒构成的缝隙。当出现组装偏位，可以控制相应的短路棒通电或断电，即插黑段的位置和宽度，从而调节线宽与缝隙。这样，一旦光栅跟TFT模块之间贴合出现了偏移，及时调整线宽与缝隙，就可以保证3D效果[1]。
图6 光栅结构示意图
图7 预形成3D效果的光栅条组装模式图
案例一不难看出，光栅结构是实现3D显示的重要结构，3D显示的效果与光栅结构的线宽和缝隙有直接影响，通过及时调整线宽和缝隙，可以确保3D显示效果。在处理该类案件时，可以从短路棒的设置方式、短路棒与光栅条的连接方式以及光栅条在显示区域的排布方式等方面进行阐述，详细介绍光栅条形成的线宽和缝隙的变化过程。
案例二
技术问题：如何实现二维显示和三维显示的切换。
技术方案：如图8，显示区域包括二维显示区和三维显示区，从c3至e8的亚像素区域（红框部分）为二维显示区，其余部分为三维显示区。向三维显示区中的奇数列亚像素输入右眼图像的数据信号，并向三维显示区中的偶数列亚像素输入左眼图像的数据信号，左眼图像和右眼图像能够通过狭缝光栅产生立体效果。
二维图像可以是任意一幅平面图像，也可以是上述能够通过狭缝光栅产生立体效果的左眼图像和右眼图像之一。在实际应用中，选择显示左眼图像或右眼图像均是可行的，但选择左眼图像和右眼图像之一与选择任意一幅平面图像相比，能够与上述三维显示区中产生的立体效果能够更加平滑的衔接过渡。比如，可以向二维显示区中的奇数列亚像素中输入二维图像的数据信号，并向二维显示区中的偶数列亚像素输入黑画面，由于这些偶数列亚像素不发光，因此观察者只会看到一幅二维图像。或者，也可以向二维显示区中每两个相邻列的亚像素中输入相同的二维图像的数据信号。例如，在图8所示的二维显示区c3～e8中，可以向第一对相邻列的亚像素c3～e4中输入第一数据信号；向第二对相邻列的亚像素c5～e6中输入第二数据信号；向第三对相邻列的亚像素c7～e8中输入第三数据信号，其中，第一数据信号、第二数据信号和第三数据信号均为与二维图像的列像素相对应的数据信号[2]。
图8 显示区域中二维显示和三维显示的一种划分示意图
案例二涉及3D显示和二维显示的切换，即在同一屏幕上可以实现三维和二维的切换，或同时存在二维显示区和三维显示区。在处理该类案件时，建议将二维显示和三维显示的切换过程详细介绍，如何向亚像素单元中输入数据信号实现2D和/或3D显示。
案例三
技术问题：现有技术提供的裸眼3D显示屏，用户的观看视角小。
技术方案：如图9，裸眼3D显示面板包括光栅201和2D显示屏202，图中光栅201上黑色部分表示不透光部分，白色部分表示透光部分，光栅201设置于2D显示屏202的出光侧，该裸眼3D显示面板还包括人眼探测部203和电控光线折射部204，电控光线折射部204设置于光栅201的出光侧。人眼探测部203，用于探测位于裸眼3D显示面板的出光方向上的用户的人眼位置。电控光线折射部204，用于将光栅201的出射光折射至该人眼位置【3】。
图9 裸眼3D显示面板结构示意图
工作原理：当用户位于裸眼3D显示面板的出光方向上的不同位置时，通过电控光线折射部204能够将光栅201的出射光折射至用户的人眼位置，从而使用户的左眼接收到左眼视图，右眼接收到右眼视图，进而使用户观看到3D图像。因此与现有技术中的裸眼3D显示技术相比，本实施例中的裸眼3D显示面板能够为用户提供大范围的观看视角，提高用户的观看体验。
案例三涉及3D显示观看视角的范围调整，建议处理此类案件时，除了对显示面板本身层级结构的介绍外，还应详细介绍电控光线折射部的结构和原理，并结合人眼探测部和电控光线折射部的交互原理，结合具体的应用场景凸显该显示面板观看视角广的优点。
五、结语
裸眼3D显示技术可以用于3D电影、3D游戏、3D图片和3D视频等领域，对应的电子设备包括3DTV、3D电影院、3D手机、3D投影仪和3D数码像框等。随着当代裸眼3D技术的发展、4G技术发展、5G技术的到来及其他若干因素，4K、8K等高分辨率的小间距显示系统的LED立体显示功能或将迈入正轨。未来的LED、微LED等小间距系统凭借相对较小的屏体体积与弧形无缝可变设计，可加快与3D、VR、AR等技术的商用化融合。
本文主要是对3D显示技术的相关背景技术和基础知识进行搜集、整合，以帮助专利代理师熟悉3D显示技术的理论知识，并结合几个相关的案例分享，加深对3D显示技术基础理论的认识，但愿本文能对专利代理从业人员处理3D显示技术的工作有一定的参考意义。
参考文献：
［1］武汉天马微电子有限公司．裸眼3D光栅结构[P]．中国：CN103163650A，2013年06月19日
［2］京东方科技集团股份有限公司．狭缝光栅显示方法及装置[P]．中国：CN102135666B，2014年06月11日
［3］万维云视(上海)数码科技有限公司．裸眼3D显示面板及裸眼3D显示装置[P]．中国：CN106125322A，2016年11月16日
